JP7454971B2 - 検出方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、検出方法及びプラズマ処理装置に関する。
例えば、特許文献１及び特許文献２は、プラズマの発光の所定の波長の光を検出し、検出した所定の波長の光から抽出した信号の発光強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、基板の処理を終了することを提案している。
特開平１１－２８８９２１号公報 特開平９－１１５８８３号公報
本開示は、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置及びそのパーツの状態の少なくともいずれかのモニタ精度を向上させることができる検出方法及びプラズマ処理装置を提供する。
本開示の一の態様によれば、バイアス電力を下部電極に供給し、ソース電力を上部電極又は前記下部電極に供給する工程と、チャンバに取り付けられたセンサの出力値を検出する工程と、を有し、前記センサの出力値を検出する工程は、（ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、（ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、（ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングを行う工程と、を含み、（ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する、検出方法が提供される。
一の側面によれば、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置及びそのパーツの状態の少なくともいずれかのモニタ精度を向上させることができる。
第１及び第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面模式図。 第１実施形態に係る検出方法を説明するためのシミュレーション結果の一例を示す図。 第２実施形態に係る検出方法を説明するためのシミュレーション結果の一例を示す図。 第２実施形態に係る検出方法を説明するためのシミュレーション結果の他の例を示す図。 発光強度の検出結果の一例を示す図。 第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面模式図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［プラズマ処理装置］
エッチング処理、成膜処理等の基板処理を実行するプラズマ処理装置１０の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１及び第２実施形態に係るプラズマ処理装置１０を示す断面模式図である。プラズマ処理装置１０は、処理ガスからプラズマを励起するために用いられるいくつかのプラズマ生成システムの一例を与える。
プラズマ処理装置１０は、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）装置を示しており、チャンバ１内の上部電極３と下部電極４との間にプラズマ２が形成される。下部電極４は、基板Ｗを載置する載置台としても機能する。第１の高周波電源６と第２の高周波電源７は、下部電極４に結合される。第１の高周波電源６は整合器６ａを介して下部電極４に結合される。第２の高周波電源７は整合器７ａを介して下部電極４に結合される。第１の高周波電源６はプラズマ生成用の高周波電源であり、第２の高周波電源７は基板Ｗにイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電源である。第１の高周波電源６は第１の高周波電力（ＨＦ電力）を出力し、第２の高周波電源７は第２の高周波電力（ＬＦ電力）を出力する。ＬＦ電力の周波数はＨＦ電力の周波数よりも低い。例えば、第１の高周波電源６の周波数は、４０ＭＨｚ～１００ＭＨｚであってよく、第２の高周波電源の周波数は、２００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚであってよい。第１の高周波電源６と第２の高周波電源７との間には、ＨＦ電力の第２の高周波電源への流入を防ぐため、ローパスフィルタ９が設けられている。なお、第２の高周波電源の代わりに、直流パルス電源を用いてもよい。第２の高周波電源または直流パルス電源から出力される電力をバイアス電力と呼ぶ。また、第１の高周波電源６から出力されるＨＦ電力をソース電力と呼ぶ。第１の高周波電源に基づく第１の高周波電圧をＨＦ電圧、第１の高周波電流をＨＦ電流と呼び、第２の高周波電源に基づく第２の高周波電圧をＬＦ電圧、第２の高周波電流をＬＦ電流と呼ぶ。
整合器６ａは、負荷側のインピーダンスを第１の高周波電源６の出力インピーダンスに整合させる。整合器７ａは、負荷側のインピーダンスを第２の高周波電源７の出力インピーダンスに整合させる。
チャンバ１にはガス供給部８が接続され、処理ガスを供給する。また、チャンバ１には排気装置５が接続されチャンバ１内部を排気する。
図１のプラズマ処理装置１０は、プロセッサ及びメモリを含むコントローラ２０を有し、プラズマ処理装置１０の各要素を制御して基板Ｗをプラズマ処理する。電圧計／電流計３３は、第１の高周波電源６と第２の高周波電源７に接続された給電棒に取り付けられている。電圧計／電流計３３は、測定したＨＦ電圧やＨＦ電流、ＬＦ電圧やＬＦ電流、ＨＦ電圧やＨＦ電流の位相信号又はＬＦ電圧やＬＦ電流の位相信号を、コントローラ２０に送信する。コントローラ２０は、電圧計／電流計３３からＨＦ電圧やＨＦ電流、ＬＦ電圧やＬＦ電流、ＨＦ電圧やＨＦ電流の位相信号又はＬＦ電圧やＬＦ電流の位相信号の全て、又は一部を取得する。ＬＦ電圧又はＬＦ電流の波形は、バイアス波形の一例である。バイアス波形の例としては、図３の上図のＬＦ電圧波形（Ｂｉａｓ波形）、図４の上図の直流パルス電圧波形（Ｂｉａｓ波形）の他、テーラード形状を含む直流パルス電圧波形であるテーラード波形が挙げられる。コントローラ２０は、バイアス波形の信号として、バイアス波形そのもの、バイアス波形の位相の信号を取得してもよい。また、コントローラ２０は、ソース波形の信号として、ソース波形そのもの、ソース波形の位相の信号を取得してもよい。ＨＦ電圧又はＨＦ電流の波形は、ソース波形の一例である。
また、チャンバ１の窓には発光分光分析装置（ＯＥＳ／ＥＰＤ）３２が取り付けられ、発光強度を測定する。測定した発光強度の信号は、発光分光分析装置３２からコントローラ２０に送信される。コントローラ２０は、発光分光分析装置３２からチャンバ１内のプラズマの発光強度の信号を取得する。発光強度の信号は、センサの出力値の一例である。
また、チャンバ１には圧力計３１が取り付けられ、チャンバ１内の圧力を測定する。測定した圧力の信号は、圧力計３１からコントローラ２０に送信される。コントローラ２０は、圧力計３１からチャンバ１内の圧力の信号を取得する。圧力の信号は、センサの出力値の一例である。この場合のセンサは、圧力計３１である。センサの一例としては、給電ラインに取り付けられる電圧計、電流計、発光分光分析装置、圧力計が挙げられるが、センサの種類はこれに限られない。例えば、温度センサ、ＣＣＤセンサ等、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態を検知可能なすべてのセンサを含む。
第２の高周波電源７は、バイアスの信号としてＬＦ電圧やＬＦ電流の位相信号及び基準クロックをコントローラ２０に送信する。コントローラ２０は、バイアスの信号としてＬＦ電圧やＬＦ電流の位相信号及び基準クロックを受信する。コントローラ２０は、ＬＦ電圧やＬＦ電流の位相信号及び基準クロックに基づき、バイアスの周期、バイアスの特定の位相に応じて各センサ（圧力計３１等）のサンプリングのタイミングを制御する。なお、基準クロックは、バイアスの周期に連動したクロックである。コントローラ２０は、バイアスの信号としてバイアス波形の信号、バイアス位相の信号、バイアス波形のＡ／Ｄ変換後の信号を受信してもよい。
デバイスの高集積化に連れ、プラズマ処理装置１０にて基板Ｗに実行されるプロセスは更なる微細加工が求められている。そのため、チャンバ１に取り付けられ、基板Ｗの処理中のプラズマの状態、プロセスの状態等、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態をモニタするセンサには、高い感度及び精度が要求されている。
センサにより検出される値、つまり、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態を示すセンサの出力値には、Ｖｐｐ、Ｖｄｃ、プラズマ電子密度やチャンバ内の電子密度分布、イオンフラックス分布、イオンエネルギー分布、プラズマ電子温度、プラズマ中の各種イオンやラジカルの発光強度や光吸収量が含まれる。センサの出力値は、給電ラインの電圧値や電流値、チャンバ１内の圧力値、基板Ｗの温度等チャンバや装置に取り付けられた各種検出器により検出される検出値である。
基板Ｗの微細加工の進歩に対して、これらのセンサの感度、精度、安定性の進捗は遅い。例えば、ＥＰＤ（Ｅｎｄ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）では終点検出時のプラズマの変化や発光強度の変化が小さく、Ｓ／Ｎ比の向上、すなわち、センサの信号（センサの出力値）に含まれるノイズの低減が望まれている。
そこで、実施形態に係る検出方法及びプラズマ処理装置１０では、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態の少なくともいずれかをセンサの出力値によりモニタするときのＳ／Ｎ比を向上させ、モニタの精度を向上させる。
バイアス波形信号の電圧振幅（図３、図４参照）が時間に応じて変動すると、基板の電圧がバイアス波形信号及びＨＦ電圧波形の振幅の変動に応じて変動する。図３のバイアス波形信号は第２の高周波電源を用いた際の信号であり、図４のバイアス波形信号は直流パルス電源を用いた際の信号である。特にプラズマプロセスでバイアス電力とソース電力とが同じ下部電極４に印加される場合、下部電極４上のイオンシースの厚さがバイアス波形信号の位相で変化する。
このため、バイアス波形の位相（例えばＬＦ電圧やＬＦ電流の位相）によりＨＦ電力の印加時に下部電極４からプラズマに流れ出る高周波電流のインピーダンスが変わる。これにより、ＨＦ電力のプラズマへの投入電力や反射電力がバイアス波形の位相で変化する。すなわち見かけ上は一定のプラズマ２の状態及びチャンバ１内のプロセスの状態は、バイアス波形の周期で変動している。
従来のモニタはバイアスの周期で変動する、Ｖｐｐ、Ｖｄｃ、プラズマ電子密度、プラズマ電子分布、プラズマ電子温度、プラズマの発光強度、チャンバ１内の圧力等のセンサ出力値を、バイアス波形の周期を考慮せず、別の時間間隔の基準クロックで検出していた。
これに対して、以下に説明する各実施形態に係る検出方法では、プラズマの状態、プロセスの状態等を検出するモニタからのセンサ出力値をバイアス波形の位相に同期して検出する。つまり、バイアス波形の周期を基準クロックとしてセンサ出力値をバイアス波形の位相に同期して検出する。これにより、バイアス波形の位相による揺らぎ成分、すなわち、センサ出力値のノイズを除去し、センサ出力値を安定させることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させ、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態の少なくともいずれかをセンシングするセンサによるモニタの精度を向上させることができる。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る検出方法では、バイアス波形の周期毎にバイアス波形の第１の位相を特定し、センサによるサンプリングを行う。
バイアス波形が周期的に変動していると、プラズマの発光強度等、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態の少なくともいずれかを示す物理量がバイアス波形の周期的変動に応じて変動する。そこでバイアスに同期してサンプリングを行う。具体的には、第１実施形態では、バイアス波形の周期毎にバイアス波形の第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後にセンサの出力値のサンプリングを行う。これによれば、センサの出力値のサンプリング周期を、バイアス波形の周期的な変動を受けないようにバイアス波形の周期毎の特定のタイミング、すなわち、バイアス波形の第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間の経過後に連動させる。これにより、バイアス波形の変動に応じて物理量が変動する影響を受けずに、任意の物理量を検出するセンサの出力値を安定して得ることができる。
「サンプリングを行う」とは、バイアス波形の周期に対して十分に高速サンプリングできる場合は、前記第１の時間を経過した直後にセンサの出力値のサンプリングを開始できる。または、連続的に取得したデータのうち、第１の時間を経過した直後前後の指定範囲のデータを有効にしても良い。バイアス波形の周期に対して十分に高速サンプリングできない場合は、第１の時間を経過した後、センサの出力値のサンプリングが可能なタイミングにセンサの出力値のサンプリングを開始してよい。バイアスの周波数程度の周波数のＡ／Ｄ変換器の場合、バイアスの一周期に１回のサンプリング、又はバイアスの数周期に１回のサンプリング等、バイアスの位相に合わせてサンプリングを行うことになる。
図１に示すように、コントローラ２０は、バイアス波形の信号（例えば、ＬＦ電圧やＬＦ電流の位相信号）及び基準クロック信号を受信する。
センサ側でＡ／Ｄ変換を行う場合、コントローラ２０は、受信したバイアス波形の信号及び基準クロック信号に基づき、バイアス波形の周期毎に特定した第１の位相を示す信号をセンサに送信する。センサは、受信した信号に基づき、バイアス波形の第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後にセンサの出力値のサンプリングを行う。センサは、予め定められたサンプリング時間、センサ出力値をサンプリングし、サンプリングしたセンサ出力値をコントローラ２０に送信する。コントローラ２０は、かかる検出方法により取得したセンサ出力値をそのまま出力してもよいし、平滑化してから出力してもよい。
センサ出力値の平滑化は、アナログ、デジタルフィルター等、目的を果たせば手法は問わない。サンプリング後のセンサ出力値に必要な周波数を抽出するようにフィルタをかけてもよいし、サンプリング前のセンサ出力値に必要な周波数を抽出するようにフィルタをかけてもよい。
一方、コントローラ側でＡ／Ｄ変換を行う場合、コントローラ２０は、平滑化したセンサ出力値をＡＤ変換器に入力し、Ａ／Ｄ変換する。ＡＤ変換器は、コントローラ２０の内部に設けられてもよいし、コントローラ２０の外部さらにはセンサ内に設けられてもよい。コントローラ２０は、バイアス波形の周期毎に取得したセンサ出力値の移動平均を取り、その値をセンサ出力値として出力してもよい。センサ出力値の移動平均は、複数の周期に跨ってサンプリングしたセンサ出力値に基づき算出されてもよい。バイアス波形の特定の第１の位相から第１の時間経過後に検知した一つのセンサ値をセンサ出力値としてもよい。この場合、サンプリングしたセンサ値はバイアス波形の一周期毎に一つとなる。サンプリング時間の適正化及び／又はセンサ出力値の平滑化により、Ｓ／Ｎ比が向上し、安定したセンサ出力値の取得が可能になる。
なお、センサ出力値をＡＤ変換器にてＡ／Ｄ変換した後の信号をコントローラ２０に入力させてもよい。コントローラ２０は、受信したバイアス波形の信号としてＡ／Ｄ変換した後の信号を用いて、バイアス波形の周期毎に特定した第１の位相を示す信号をセンサに送信してもよい。そして、バイアス波形の特定の第１の位相から第１の時間経過後からセンサ出力値のサンプリングを行ってもよい。また、上記の検出方法にてセンサから取得したセンサ出力値を平滑化してもよい。
以上の処理により取得したセンサ出力値のうち、バイアス波形の一周期の整数（ｎ：ｎ≧１）倍の周期内で取得したセンサ出力値を平均化して、平均化したセンサ出力値を出力してもよい。例えば、ｎ＝５であれば、バイアス波形の５周期内にて周期毎にサンプリングしたセンサ出力値を平均化してもよい。
図２は、第１実施形態に係る検出方法を説明するためのシミュレーション結果の一例を示す図である。図２（ａ）の横軸は時間を示し、縦軸はバイアス波形の電圧振幅を示す。図２（ａ）は、バイアス波形としてＬＦ電圧波形を示している。図２（ｂ）の横軸は時間を示し、縦軸はバイアスの影響を受けたある物理量の強度のシミュレーション結果を示す。
強度Ａは、バイアス波形の位相に同期して変化する。強度Ａがバイアス波形の位相に同期して変化するのは、バイアス波形の位相に応じて下部電極４上のイオンシースの厚さが変わるため、ＨＦ電力の印加時に下部電極４からプラズマに流れ出る高周波電流のインピーダンスが変わるためである。高周波電流のインピーダンスが変わると、ＨＦ電力のプラズマへの投入電力や反射電力が周期的に変化するため、強度Ａがバイアスの位相に同期して周期的に変動する。
バイアス波形の周波数よりも桁の高い周波数で強度Ａをサンプリング可能な場合、当該強度変化をほぼ正確に計測でき、所謂エリアシングノイズは生じない。しかし、バイアス波形の周波数が高くなると、センサの測定時間の遅延により、バイアス波形の周波数よりも桁の高い周波数でサンプリングすることが困難になり、エリアシングノイズが発生する。そこで、第１実施形態に係る検出方法では、現実的なサンプリングレートでエリアシングノイズの発生を抑制する方法を提案する。
図２（ｂ）に示す１周期移動平均Ｃは、バイアスの影響を受けたある物理量の強度の一周期の移動平均のシミュレーション結果である。
比較例としてバイアス波形の周期の整数倍でない周期で移動平均のシミュレーションをしたときの強度をＢ、Ｄに示す。
これによれば、強度をバイアス波形の０．５倍の周期で移動平均した０．５周期移動平均Ｂでは、時間経過と共に強度が変化してしまい、バイアス波形の変動に応じてセンサ出力値が変動する。同様に、強度をバイアスの１．５倍の周期で移動平均した１．５周期移動平均Ｄでは、０．５周期移動平均Ｂよりも改善するが、時間経過と共に強度が変化してしまい、バイアス波形の変動に応じてセンサ出力値が変動する。
一方、１周期移動平均Ｃは、バイアス波形の変動に応じた変動は生じない。以上から、第１実施形態に係る検出方法では、バイアス波形の周期的な変動に基づくセンサ出力値の変動を平滑化でき、安定したセンサ出力値を得ることができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る検出方法では、センサによるサンプリングをバイアス波形の位相及びＨＦ電圧波形の位相に応じて行う。
以下、バイアス波形の第１の位相とともにＨＦ電圧波形の第２の位相を用いて、第２実施形態に係る検出方法を説明するためのシミュレーション結果について、図３を参照しながら説明する。図３は、第２実施形態に係る検出方法の一例を示す図である。
第２実施形態に係る検出方法は、バイアス電力を下部電極４に供給し、ソース電力を上部電極又は下部電極４に供給する工程と、チャンバ１に取り付けられたセンサの出力値を検出する工程と、を有する。第２実施形態に係る検出方法では、センサの出力値を検出する工程において、以下の（ａ）～（ｃ）の工程を有する点で、第１実施形態に係る検出方法と異なる。
すなわち、第２実施形態に係る検出方法では、センサの出力値を検出する工程は、（ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、（ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、（ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングを行う工程と、を含み、（ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する。
図３の上図の横軸は時間を示し、縦軸はバイアス波形及びＨＦ波形の電圧振幅を示す。図３の下図の横軸は時間を示し、縦軸は計測対象のセンサ（図３、図４ではプラズマ中の基板の電圧を計測するためのプローブ）が測定するセンサ出力値（図３、図４ではプラズマ中の基板の電圧）を示す。
図３に示す（ａ）～（ｃ）は、第２実施形態に係る検出方法の（ａ）～（ｃ）の工程に対応する。具体的には、図３に示す（ａ）は、バイアス波形の周期毎にバイアス波形の第１の位相を特定する工程により特定された時点の一例を示す。図３の例では、バイアス波形がマイナス値からプラス値に変化する際の電圧０の時点を、バイアス波形の周期毎にバイアス波形の第１の位相と特定する。図３の（ａ）の矢印で示すタイミングである。
図３に示す（ｂ）は、図３の（ａ）の矢印で示すタイミング、すなわち第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のＨＦ電圧波形の第２の位相を特定する工程により特定された時点の一例を示す。図３の例では、第１の位相を特定した時点から第１の時間経過後に、ＨＦ電圧波形がマイナス値からプラス値に変化する際の電圧０の時点を、ＨＦ電圧波形の第２の位相と特定する。図３の（ｂ）の矢印で示すタイミングである。
図３に示す（ｃ）は、第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後にセンサの出力値のサンプリングを行う工程により特定された時点の一例を示す。図３の例では、第２の位相を特定した時点から第２の時間経過後を、計測対象の強度のサンプリングを行うタイミングと特定する。図３の（ｃ）の矢印で示すタイミングである。
第２実施形態に係る検出方法では、（ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する。サンプリングを行った時点からセンサ出力値をサンプリングする時間は、予め定められている。以上から、（ｄ）の工程では、（ｃ）の工程でセンサ出力値のサンプリングを行ってから、予め定められたサンプリング時間、センサの出力値を取得する。そして、（ａ）～（ｄ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する。
第１の位相の特定は、コントローラ２０が、バイアス波形信号が０から１に変化したときにトリガー信号を出力することにより制御する。第２の位相の特定は、コントローラ２０が、ＨＦ電圧波形（ソース波形）信号が０から１に変化したときにトリガー信号を出力することにより制御する。また、コントローラ２０は、ディレイタイマで第１の時間、第２の時間及びサンプリング時間を計時し、（ａ）～（ｄ）の工程を制御する。
第１の位相の特定及び第２の位相の特定は、各波形がマイナス値からプラス値に変化する際の電圧０の時点に限られない。第１の位相及び第２の位相の特定は、各波形がプラス値からマイナス値に変化する際の電圧０の時点であってもよいし、各波形の電圧振幅の最大値又は最小値であってもよい。また、第１の位相及び第２の位相の特定は、同じ基準であってもよいし、異なる基準であってもよい。
また、第２の時間は、０以上の値であってソース波形の一周期以内の値であってもよい。第２の時間は、第２の位相が特定されてからセンサがセンサ値の出力を開始可能な時間に予め設定されてもよい。第１の時間は、０以上の値であってバイアス波形の一周期以内の値であってもよい。第１の時間は第２の時間と同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。
サンプリング時間は、予め定められた時間であり、第１の位相からその周期のすべてのセンサ出力値をサンプリングした時間であってもよいし、それよりも短い所与の時間であってもよいし、それよりも長い次の周期の時間も含めた時間であってもよい。
第２実施形態に係る検出方法は、サンプリングしたセンサ出力値を平滑化して出力してもよい。前述したようにサンプリングしたセンサ出力値の移動平均であってもよい。コントローラ２０は、サンプリング時間のセンサ出力値をＡＤ変換器を用いてサンプルホールドし、サンプルホールドしたセンサ出力値のＡ／Ｄ変換を行い、数値化する。なお、サンプルホールドとは、ＡＤ変換器が、あるＡＤ変換の指示信号を受けたときに、ある時間毎にある位相に対応するセンサ出力値を保持することをいう。
ただし、第２実施形態に係る検出方法では、センサ出力値を平滑化し、バイアス波形の周期に対し第１の位相の範囲でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換することに限られない。例えば、平滑化は任意であり、平滑化を行わなくてもよい。また、Ａ／Ｄ変換は、（ｃ）に示すサンプリングを行うタイミングからバイアス波形の一周期又は多周期に一度実行してもよい。
また、バイアス波形の周期毎にサンプリングしなくてもよい。つまり、センサ出力値のうち、バイアス波形の周期に対し第１の位相の範囲でサンプリングすることに限られない。例えば、バイアス波形の複数の周期を一単位として、複数の周期のうちの特定の周期においてセンサ出力値をサンプリングし、他の周期においてセンサ出力値のサンプリングを行わなくてもよい。ただし、この場合にも前記（ａ）～（ｃ）の工程により、バイアス波形の一周期に一度、センサ出力値のサンプリングを行うタイミングが決定されるか、次の前記（ａ）～（ｃ）の工程により、センサ出力値のサンプリングされたデータが有効にされる。
すなわち、センサの出力値を検出する工程は、
（ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、
（ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、
（ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングされたデータを有効にする工程と、
を含み、
（ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行してもよい。
さらに、前記センサの出力値を検出する工程は、
（ｄ）前記センサの出力値のサンプリングされたデータを有効にしてから、予め定められたサンプリング時間、前記センサの出力値を取得する工程を含み、
（ａ）～（ｄ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行してもよい。
センサの出力値のサンプリングされたデータが有効になった場合であっても、有効になったサンプリングデータのうちの、複数の周期のうちの特定の周期においてセンサ出力値をサンプリングし、他の周期においてセンサ出力値のサンプリングを行わなくてもよい。
発光などの[0]プラズマの状態は、バイアスの位相に同期して変化する。発光などの[0]プラズマの状態がバイアスの位相に同期して変化するのは、バイアスの位相に応じて下部電極４上のイオンシースの厚さが変わり、ＨＦのインピーダンスが変わるため、ＨＦ電力のプラズマへの投入効率や反射電力が周期的に変化するためである。
第２実施形態に係る検出方法では、図１に示すように、コントローラ２０は、バイアス波形信号（ＬＦ電圧の位相信号）及び基準クロック信号を受信する。そして、コントローラ２０は、受信したバイアス波形信号（ＬＦ電圧の位相信号）に基づき、バイアス波形の第１の位相及びＨＦ電圧波形の第２の位相を特定する。コントローラ２０は、特定した第１の位相及び第２の位相に基づき、センサ出力値のサンプリングを行うタイミングを制御し、サンプリングを行うタイミングからサンプリング時間だけセンサ出力値を取得する。
以上の（ａ）～（ｄ）の工程を繰り返すことにより、サンプリングを行うタイミングを各周期で一致させることで、バイアス波形やＨＦ波形の電圧振幅が時間に応じて変動する影響を受けず、センサ出力値を安定して取得することができる。これにより、センサによる出力値の精度を高め、Ｓ／Ｎ比の向上、すなわち、センサ出力値に含まれるノイズの低減を図ることができ、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置１０及びそのパーツの状態のモニタの精度を向上させることができる。
バイアスとしては、ＬＦ電圧の替わりに図４に示す直流パルス電圧を用いてもよい。図４は、第２実施形態に係る検出方法を説明するためのシミュレーション結果の他の例を示す図である。図４では、図３に示したバイアス波形（ＬＦ電圧波形）の替わりに２値のパルス波である直流パルス電圧波形をバイアス波形として用いている。
この場合にも、センサの出力値を検出する工程は、（ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、（ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、（ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングを行う工程と、を含み、（ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する。
図４に示す（ａ）は、バイアス波形の周期毎にバイアス波形の第１の位相を特定する工程により特定された時点の一例を示す。図４の例では、バイアス波形が０の値からマイナス値になったときの時点を、バイアス波形の周期毎にバイアス波形の第１の位相と特定する。図４の（ａ）の矢印で示すタイミングである。
図４に示す（ｂ）は、図４の（ａ）の矢印で示すタイミング、すなわち第１の位相を特定した時点から第１の時間を経過した後のＨＦ電圧波形の第２の位相を特定する工程により特定された時点の一例を示す。図４の例では、第１の位相を特定した時点から第１の時間経過後に、ＨＦ電圧波形がマイナス値からプラス値に変化する際の電圧０の時点を、ＨＦ電圧波形の第２の位相と特定する。図４の（ｂ）の矢印で示すタイミングである。
図４に示す（ｃ）は、第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後にセンサの出力値のサンプリングを行う工程により特定された時点の一例を示す。図４の例では、第２の位相を特定した時点から第２の時間経過後を、計測対象の強度のサンプリングを行うタイミングと特定する。図４の（ｃ）の矢印で示すタイミングである。（ｄ）の工程では、（ｃ）の工程でセンサ出力値のサンプリングを行ってから、予め定められたサンプリング時間、センサの出力値を取得する。そして、（ａ）～（ｄ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する。
例えば、図５は、センサの出力値の一例として発光強度の検出結果の一例を示す図である。図５の横軸は時間を示し、縦軸は基板の電位を示す。ＬＦは、バイアス波形の振幅としてＬＦ（ＲＦ）波形の振幅を示す。ＨＦは、ソース波形の振幅としてＨＦ（ＲＦ）の振幅を示す。Ａは、第２実施形態に係る検出方法を使用してサンプリングした発光強度を示す。
かかる検出結果によれば、（ａ）～（ｄ）の工程を繰り返すことにより、サンプリングを行うタイミングＳ１、Ｓ２、Ｓ３・・・においてＬＦの位相及びＨＦの位相を一致させることで、安定したセンサ出力値Ａ１、Ａ２、Ａ３を取得できていることが分かる。以上から、第２実施形態に係る検出方法によれば、バイアス波形の位相及びＨＦ電圧波形の位相の両方による揺らぎ成分を安定させてセンサ出力値をサンプリングすることができる。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上させ、チャンバ１内のプラズマ状態のモニタの精度を向上させることができる。
第２実施形態に係る検出方法を実現するために、図６に示すプラズマ処理装置１０を使用する。図６は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１０を示す断面模式図である。
図６（ａ）に示すように、コントローラ２０は、第２の高周波電源７からバイアス電圧の信号、ＬＦ電圧の位相信号及び基準クロック信号を受信する。
コントローラ２０は、更に、第１の高周波電源６から、ＨＦ電圧の信号、ＨＦ電圧の位相信号を受信する。コントローラ２０は、受信したバイアス電圧の信号、ＬＦ電圧の位相信号及び基準クロック信号、ＨＦ電圧の信号、ＨＦ電圧の位相信号に基づき、第１の位相を特定する信号及び第２の位相を特定する信号を各センサに送信する。各センサ（例えば、図６（ａ）の圧力計３１、ＯＥＳ／ＥＰＤ３２、電圧計／電流計３３）は、受信した信号に基づき、（ｃ）の工程でサンプリングを行い、サンプリング時間、センサ出力値をコントローラ２０に送信する。
図６（ｂ）に示すように、第１の高周波電源６から第２の高周波電源７にＨＦ電圧の信号、ＨＦ電圧の位相信号、基準クロックを送信し、第２の高周波電源７がＨＦ電圧の信号、ＨＦ電圧の位相信号、基準クロックに合致したＬＦ電圧の位相信号をコントローラ２０に送信してもよい。これにより、第１の位相と第２の位相とが合致した信号をコントローラ２０に送信することができる。なお、基準クロックは、ＨＦの周期に連動したクロックである。前記クロックは第１の高周波電源６のクロックを分周して作成することが望ましい。分周して作成することにより第１の高周波電源６の発振周波数が温度変化等でシフトしてもＨＦ電圧の信号、ＨＦ電圧の位相信号、基準クロックに対して常に同じタイミングでサンプリングすることが可能となる。
コントローラ２０は、受信したＨＦ電圧の位相信号及び基準クロックに合致したＬＦ電圧の位相信号に基づき、バイアスの第１の位相の範囲内でＨＦの第２の位相の範囲を示す信号を各センサに送信する。各センサは、受信した信号に基づき、（ｃ）の工程でサンプリングを行い、サンプリング時間、センサ出力値をコントローラ２０に送信する。
なお、基準クロックは、バイアスの周期に連動したクロックと、ＨＦ電圧の周期に連動したクロックとを、例えば４００ｋＨｚ等の同一クロックにしてもよい。また、コントローラ２０が基準クロックを生成してもよい。
センサが、ＣＣＤセンサの場合、コントローラ２０から基準クロックが発信されると、ＣＣＤセンサは、複数の素子の電荷を順番に読み込む。この場合、複数の素子のそれぞれの電荷の読込みタイミングは、バイアスの周期に連動しない場合がある。そこで、複数の素子のうちの各素子の電荷の読込みタイミングは、（ｃ）の工程でサンプリングを行ったタイミングから所与の時間ずつ遅延した時間や基順クロックを元にしたものでも良い。
以上に説明したように、第２実施形態の検出方法によれば、プラズマの状態、プロセスの状態、プラズマ処理装置及びそのパーツの状態の少なくともいずれかのモニタの精度を向上させることができる。
今回開示された一実施形態に係る検出方法及びプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、バイアス電力及びソース電力を下部電極に供給することに限られず、バイアス電力を下部電極に供給し、ソース電力を上部電極に供給してもよい。
本開示のプラズマ処理装置は、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置でも適用可能である。
１ チャンバ
２ プラズマ
３ 上部電極
４ 下部電極
６ 第１の高周波電源
７ 第２の高周波電源（又は直流パルス電源）
１０ プラズマ処理装置
２０ コントローラ
３１ 圧力計
３２ 発光分光分析装置
３３ 電圧計／電流計

Claims (8)

  1. バイアス電力を下部電極に供給し、ソース電力を上部電極又は前記下部電極に供給する工程と、
    チャンバに取り付けられたセンサの出力値を検出する工程と、を有し、
    前記センサの出力値を検出する工程は、
    （ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、
    （ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、
    （ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングを行う工程と、
    を含み、
    （ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する、
    検出方法。
  2. バイアス電力を下部電極に供給し、ソース電力を上部電極又は前記下部電極に供給する工程と、
    チャンバに取り付けられたセンサの出力値を検出する工程と、を有し、
    前記センサの出力値を検出する工程は、
    （ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、
    （ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、
    （ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングされたデータを有効にする工程と、
    を含み、
    （ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する、
    検出方法。
  3. 前記センサの出力値を検出する工程は、
    （ｄ）前記センサの出力値のサンプリングを行ってから、予め定められたサンプリング時間、前記センサの出力値を取得する工程を含み、
    （ａ）～（ｄ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する、
    請求項１に記載の検出方法。
  4. 前記センサの出力値を検出する工程は、
    （ｄ）前記センサの出力値のサンプリングされたデータを有効にしてから、予め定められたサンプリング時間、前記センサの出力値を取得する工程を含み、
    （ａ）～（ｄ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する、
    請求項２に記載の検出方法。
  5. 前記第１の時間は、０以上の値であってバイアス波形の一周期以内の値である、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の検出方法。
  6. 前記第２の時間は、０以上の値であってソース波形の一周期以内の値である、
    請求項１～５のいずれか一項に記載の検出方法。
  7. 前記センサの出力値を検出する工程は、
    前記チャンバ内のプラズマの特定の波長の発光強度をセンサの出力値として検出し、前記センサの出力値から基板の処理の終点を検出する、
    請求項１～６のいずれか一項に記載の検出方法。
  8. 下部電極にバイアス電力を供給するように構成されるバイアス源と、
    上部電極又は前記下部電極にソース電力を供給するように構成されるソース源と、
    チャンバに取り付けられたセンサの出力値の検出を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、
    （ａ）バイアス波形の周期毎に前記バイアス波形の第１の位相を特定する工程と、
    （ｂ）前記第１の位相を特定した時点から予め定められた第１の時間を経過した後のソース波形の第２の位相を特定する工程と、
    （ｃ）前記第２の位相を特定した時点から予め定められた第２の時間を経過した後に前記センサの出力値のサンプリングを行う工程と、を制御し、
    （ａ）～（ｃ）の工程をバイアス波形の周期毎に繰り返し実行する、プラズマ処理装置。
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